本文简要介绍了ATM网络的虚通路概念和ATM网络拥塞产生的原因，分析了现有拥塞控制方案的不足，并通过分析提出了基于虚通路(VP)改善ATM的拥塞控制和新策略。
1概述
80年代初期，欧洲与美国提出了一种新的网络传输方式，即异步传输模式，简称ATM[l]。ATM具有灵活、安全、有效利用资源和通用性好等优点，因而被确立为未来宽带网络B-ISDN的复用和交换技术。针对电路交换和分组交换的缺点，ATM采用了以下解决技术：(1)固定长度的短小分组；(2)面向连接的工作方式；(3)用户可共享的网络资源，如带宽和缓冲区等。
ATM信元在网络中从源端到目的端的传输是通过一条叫做虚信道连接(virtualchannelconnec-tion，VC)的特殊路径进行的。为了便于对VC的管理，在ATM网络中又定义了一种特殊的通道——虚通路连接(virtualpathconnection，VP)。这样，信元在ATM网络中的传输就被分成了两组：VC级和VP级。这两个层次在ATM信元的头部分别由两个标识域定义：VC1域和VPI域。
上图给出了一个VP与VC相互关系的示例。图中VP1和VCI分别是VP和VC的标识，可以看出VP基于物理链路标识，VC基于VP标识。在图中有A、B、C、D、E、F六个物理节点，分别在AD和DF之间建立了两个虚通道连接，AF节点间的虚信道是建立在这两个虚通道之上的。对于交换节点的B、C、E，由于是虚通道连接的中间节点，因此仅对VP进行交换，如在B节点将VP的标识VPf由4变成15。而对子交换节点D，则同时存在虚通道和虚信道的交换。在将虚通道标识VPI由8变成10的同时将虚信道标识VCI由6变成3。
VP概念的引入，为ATM网络的业务流控制和网络资源管理带来了极大的方便，主要有[2]：简单化的连接接纳控制、简单化的路由过程、动态的资源管理以及可对不同业务进行分离并提供优先权控制，以满足不同服务质量(QoS)的要求。ATM网络的两级流量控制是独立进行的，VP层的流量控制就是VP拓扑结构和带宽的规划问题，一般是基于网络流量的长期统计信息进行的；VC级的流量控制即拥塞控制是信元速率的控制，一般是基于网络的实时状态进行的。但VP级和。VC级的流量控制也是相互影响的，例如：VP的带宽需求将受到VC级业务的服务特性和复用方式的影响，VP层的资源分配反之又影响VC级的流量控制。VP层和VC层流量控制的关系就如同过程控制中底层控制和高层控制的关系。2拥塞问题的产生和现有拥塞控制方案存在的问题2.1拥塞控制产生的原因
ATM网络通过多元统计复用来提高链路的利用率，统计复用应用的前提是用户不同时采取他们的峰值速率传送。但是由于传送要求是随机的不能被预料，因此拥塞是不可避免的。当输入速率大于输出速率时，拥塞便发生了。由于ATM网络的高速性，在拥塞情况下，排队队列长度可能在某个短时间内变得非常大，导致缓冲器中溢出和信元丢失，网络性能下降，因此拥塞控制对于网络是十分重要的。
在异步传输模式(ATM)网络中，ATM论坛定义了5类业务：CBR（固定比特率业务）、RT-VBR（实时可变比特率业务）、NRT-VBR（非实时可变比特率业务）、UBR（元限制比特率业务）及ABR(可控比特率业务)。不同种类业务的统计复用可以获得最大的复用增益(multiplexinggain)，即带宽利用率最高。但同时因为使用了统计复用技术，带宽资源与带宽需求发生矛盾时，ATM网络的交换节点处必然会出现信元排队延时或信元丢失。ABR业务是5类业务中唯一的速率可控业务，因此VC级的流量控制问题主要就是ABR业务的拥塞控制问题。
2.2三种主要的拥塞控制方案
目前文献中主要有三种拥塞控制方案：
(1)基于比特速率的拥塞控制方案在该方案中交换机检测排队的状态，根据网络的状态，计算业务可以使用的带宽，并将带宽信息通过RM信元返回给信源。这是一种端对端的反馈控制方案，尽管实现简单，要求的缓存资源也少，但不能保证传送业务的质量。
(2)基于信用证的拥塞控制方案
该方案(FCVC)是从分组交换网中发展起来的。它包括每条链路和每条VC的基于窗口的流量控制，每一网络节点对每-VC有一分离排队。信源发送信元数不能超过信用证的许可，这是一种点对点的反馈控制方案。这种方案能够保证传送业务的质量，但要求的缓存较大，同时过于复杂，实现很困难，代价也高。
(3)混合方案
该方案是将上面两种方案结合起来，主要措施有：在广域网上使用基于比特速率的方案，在局域网上使用基于信用证的方案，在局域网和广域网的交接处对两种协议进行转换；比特速率的方案作为缺省选择，信用证的方案作为可选的方案，在任何情况下局域网和广域网都可以使用比特速率的协议，基于用户的需要可以在局域网选用信用证的方案；同时提供比特速率反馈的信息和基于信用证的信息，通过对RM信元的修改使它同时携带信用证和比特速率的信息，同时使用两种控制策略。这些混合方案试图综合两者的优点，但实现将更加复杂，由于同一层次上两种方案并存，容易导致网络协议的混乱。
经过综合的考虑，ATM论坛最终采用基于比特速率的拥塞控制，它较适用于广域网，但对局域网也可以接受，通用性也较强，可实现网络的透明连接要求。
3基于VP改善VC层拥塞控制的两种策略
VP概念的引入，是ATM网络同其他网络不同的特色之一．ATM网络拥有新的流量控制的层次。VP层和VC层的流量控制通常是相互独立进行的，VP层的流量控制一般只是针对长期的统计信息来改变VP的拓扑结构和带宽，而不考虑业务的服务质量。由于VP层处于VC层的高层，因此有很多在底层由于代价过大不能实现的策略，在VP层却可以实现。如同在过程控制中，底层通常只能进行一些简单的PID控制，而高层则可以实现复杂的控制。因此本文考虑在基于VP改善VC层拥塞控制的策略，是在保证可行的基础上提高网络的服务质量。
VC层拥塞控制主要受到反馈时延和复杂度的约束，由于反馈时延过长，导致了反馈信息不能保证实时性，因此难以保证控制的质量。同时由于复杂度的约束，VC级难以实现复杂的控制策略，如信用证方案，这也导致了控制质量的下降。因此VC级流量控制的首要任务就是克服这两种缺陷，但由于其本身的物理特性，这些约束在VC级是不可克服的，如比特速率方案解决了复杂性问题，却带来了控制质量的．下降，同时受时延约束的影响也非常明显；信用证方案解决了控制质量的问题，但由于其复杂性在VC级却难以实现。因此本文试图探讨在VP级解决这两个问题。
3.1基于VP的虚拟源和终端策略
时延是拥塞控制必须面对的问题之一，基于比特的拥塞控制策略，尽管已经被确立为拥塞控制的标准，但它仍有不足之处，较为典型的是反馈时延太长，因此得到的控制信息实时性很差，网络的通信性能有时难以保证。网络时延是由网络的物理约束确定的，因此在一定条件下是无法改变的。在ATM论坛中提出使用虚拟源和虚拟终端的概念来解决这一问题，即将一个VC连接分成几段，分别进行拥塞控制。虚拟源和虚拟终端的概念有助于解决网络的时延问题，但同时也使虚拟节点的功能复杂化。如何最佳地选择虚拟源和虚拟终端，是有待解决的。最极端的情况是，路由经过链路的每一交换节点都作为虚拟节点，但这样就失去了比特速率方案结构简化的特点。由于ATM网络在链路级的基础上，建构了一层虚拟网络，因此可以采用VP的概念为比特速率方案的虚拟节点功能服务，即以VP节点作为虚拟源和虚拟终端。这样做的合理性主要在于：
(1)-条VC-般跨越几个VP连接，同时为了满足网络实时性的要求，任意两个节点间的VP跳数（即长度）是受限的。因此基于VP节点的虚拟节点，既不会造成网络节点功能的更多分化，同时能合理的分配虚拟节点的位置。
(2)VP节点在网络中已经存在，不必专门设立和寻找虚拟节点，只是增加VP节点的一些功能，这样就简化了虚拟源、终端的实现。
3.2VP级基于信用证的控制方案和VC级基于比
特速率的控制方案相结合笔者认为可以考虑在VP级实行信用证协议和在VC级实行比特速率协议相结合的方案，以便克服原有信用证协议的一些缺点。该方案的优点是：
(1)采用基于VP的信用证协议，在总体上降低了节点对缓冲容量的需求。
(2)由于网络中VP的数目相对VC少得多，同时VP通常跨接于多条链路，因此降低了实现的复杂度。
有文献[3]提出了在物理链路上实现信用证协议的建议，但是基于VP的信用证协议相对于在物理链路上实现信用证协议将更加有效，主要因为：
(1)简化控制。通常VP要跨接几条链路，对于各种业务而言，基于VP的信用证协议，减少了控制。同时跨接链路的VP包含的都是同一组VC，因此基于VP的信用证协议比基于链路的信用证协议更加合理。
(2)方便管理。由于VP可以实现业务分离，因此在VP中包含的业务特性和服务质量要求(QoS)都是相同或相近的，有利于统一对业务的控制；而同一链路上的业务特性和QoS要求都是不同的，若要统一控制必须满足要求最严格的业务，这不仅难以实现，同时也将大量浪费网络资源。上面两种策略分别解决了时延过长和复杂度对原有拥塞控制的影响，它们可以同时使用，也可以单独实现。能够改善网络的流量控制，提高网络的服务质量和网络的使用效率。
4结论
拥塞控制问题是ATM网络面临的问题之一，目前对拥塞控制的研究已经取得了一定的进展，但其拥塞控制方案都有一些不能解决的问题。本文从一个新的角度考虑了这一问题，提出了基于VP改善ATM网络拥塞控制的新策略。
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